"Overclocking" un AVR

Nei fogli dati AVR nella sezione Caratteristiche elettriche troverai di solito un grafico come questo (questo è tratto da ATMega328):

Ho visto disegni che sembrano "funzionare" ma funzionano al di fuori dell'involucro ombreggiato. In particolare, ho visto progetti da 3,3 V (Arduino) che eseguono l'orologio da un cristallo esterno da 16 MHz. Chiaramente, questo è fuori specifica. Quali sono le conseguenze pratiche negative di correre fuori da questo involucro?

Come rendere la vita più interessante 101:

• Se non ti interessa

  che i tuoi risultati a volte potrebbero essere sbagliati,
  che il tuo sistema a volte
  potrebbe andare in crash, che la tua vita potrebbe essere più interessante,
  che il tuo clone Segway fa solo occasionalmente piante facciali senza una ragione ovvia,
  che ...

  quindi eseguire la parte al di fuori delle specifiche del produttore

Ottieni ciò per cui non paghi.
Se hai una testa da $ 10, acquista un casco da $ 10.

Spesso può funzionare.
A volte potrebbe non funzionare.
Potrebbe non essere ovvio che a volte non funziona.

• Una divisione può di solito funzionare
• Di solito può arrivare un salto.
• Una tabella può essere cercata correttamente.

• Un valore ADC potrebbe essere corretto.

  O no

  

A questo tipo di velocità, la maggior parte dei processori lavora calcolando tutti i segnali che saranno necessari ad un certo ciclo di clock, aspettando il prossimo fronte di clock mentre si stabilizzano, bloccando tutti quei segnali e calcolando i segnali necessari al prossimo ciclo di clock , in attesa di quel fronte mentre quei segnali si stabilizzano, ecc. Se arriva un fronte di orologio prima che i segnali necessari si siano stabilizzati, l'effetto sarà che qualunque segnale non si sia stabilizzato potrebbe non essere bloccato in modo pulito. Se ciò si verifica in un microcontrollore, gli effetti potrebbero essere imprevedibili, per almeno due motivi:

1. In molti casi, la velocità di esecuzione è limitata dal tempo di risposta dell'array flash da cui il processore legge il codice. Se l'esecuzione del processore troppo veloce provoca la lettura errata di un bit occasionale qua e là, potrebbe facilmente far sì che il processore esegua codice completamente diverso da quello previsto. In molti programmi, anche un singolo errore di lettura a bit singolo può alterare radicalmente il comportamento; raramente è pratico cercare di fare previsioni su ciò che potrebbe accadere in questi casi. In alcuni casi, il migliore che si possa fare è "armare" determinate parti del programma in modo da rendere improbabile un'esecuzione errata. Ad esempio, si potrebbe lasciare una EEPROM protetta fino a quando non si desidera scriverla, quindi utilizzare un codice simile a:

   uint32_t eep_checksum, eep_addr, eep_data;
   
   #define EEPROM_WRITE (indirizzo, dati, predicato) \
     eep_checksum = 0xC0DEFACE, eep_addr = (indirizzo), eep_data = (dati), \ 
     eep_checksum + = eep_addr + eep_data, ((predicato) || HARD_CRASH ()), \
     eep_checksum + = (0xCAFEBABE - C0DEFACE), eep_do_write ()
   
   void eep_do_write (void)
   {
     ENABLE_EEPROM_WRITE_HARDWARE ();
     if (eep_checksum! = eep_addr + eep_data + 0xCAFEBABE)
     {
       DISABLE_EEPROM_WRITE_HARDWARE ();
       HARD_CRASH ();
     }
     DO_EEPROM_WRITE ();
     DISABLE_EEPROM_WRITE_HARDWARE ();
   }  
   

   È molto improbabile che una routine eeprom_write tenti di scrivere dati a meno che non venga eseguito "eep_checksum = 0xC0DEFACE" prima che l'indirizzo e i dati vengano caricati. Dopo l'esecuzione di ciò, il predicato verrà verificato per la validità prima di adattare il checksum al valore corretto e chiamare la routine eeprom_store.
2. Oltre ai chiari rischi posti dall'esecuzione di un codice errato, un'altra fonte di potenziale comportamento casuale è la metastabilità. Normalmente, su ogni ciclo, ogni infradito si blocca in alto o in basso. Se, tuttavia, l'input a un flip flop cambia proprio quando arriva l'orologio, potrebbe per qualche durata arbitraria emettere cose strane che possono alternare arbitrariamente tra alto e basso, in qualsiasi modello, fino al successivo ciclo di clock; è del tutto possibile che alcuni dispositivi a valle del flip flop lo vedano come "alto" mentre altri lo vedono come "basso". In genere, i processori si basano su molti dispositivi che concordano su cosa faranno. Se durante l'esecuzione di un'istruzione "decrementa e dirama se non uguale", e alcuni circuiti pensano che il ramo debba essere preso ma altri no,

I produttori specificano i parametri operativi per i processori in modo tale che, all'interno di tali parametri, i processori funzioneranno semplicemente. Spingere le cose fuori da quella busta può ridurre l'affidabilità del processore solo a 99.9999999. Ciò potrebbe non sembrare troppo malvagio, ma cercare di diagnosticare un processore che fa qualcosa di arbitrariamente sbagliato una volta al minuto (immaginando 16MHz) non è divertente.

Risposta semplificata per la tua domanda:

Lavorare al di fuori dell '"area di velocità sicura" può rendere instabile il funzionamento del sistema. Cosa significa? Risultati di calcolo errati, ripristini del microcontrollore ecc.

Se vuoi farlo per puro divertimento, dovresti dare un'occhiata a queste pagine / articoli:

Overclocking Arduino con raffreddamento ad azoto liquido. 20⇒65,3 Mhz @ -196 ° C / -320 ° F

Overclock ATmega328 (30MHz)

Una considerazione non ancora menzionata, che ha meno a che fare con il funzionamento a frequenze valide in intervalli di tensione non validi (16 MHz a 3,3 V) ma più a che fare con il funzionamento a frequenze non valide a intervalli di tensione validi (24 MHz a 5 V) è quella della dissipazione del calore.

Ogni volta che un gate nel chip si accende o si spegne, dissipa il calore. Il gate, essendo costituito da MOSFET, agisce come un resistore variabile nel periodo tra essere ON e OFF, oppure OFF e ON. Quella resistenza ovviamente dissipa il calore. Più frequentemente cambia, minore è il tempo che intercorre tra le commutazione per far sì che quel calore si disperda fuori dal chip e si rischia l'accumulo di calore.

Ergo, più veloce corri, più calore può accumularsi. Questo è il motivo per cui le CPU del PC hanno grandi fan: cambiano così velocemente che non riescono a liberare il calore dal chip abbastanza velocemente, quindi hanno bisogno di aiuto.

La velocità nominale massima del chip viene selezionata per consentire al chip di dissipare il suo accumulo di calore in modo affidabile nelle condizioni operative valide (ad esempio, la temperatura ambiente, in genere ad esempio max 85 ° C o 105 ° C). Il superamento di tale frequenza può causare il surriscaldamento del chip.

Sì, può essere possibile far funzionare il chip più velocemente del previsto se si fornisce assistenza, ad esempio un dissipatore di calore e forse una ventola, e si assicura che vi sia un buon flusso d'aria attorno ad esso. Ma, naturalmente, in una calda giornata d'estate potresti scoprire che quello che era un dispositivo perfettamente funzionante per tutto l'inverno improvvisamente inizia a fare cose strane.

Un'altra cosa da considerare è quella dei tassi di risposta. I segnali di orologio (e anche altri segnali) impiegano del tempo per salire o scendere al livello desiderato. Se gli interni del chip indicano che il segnale di clock impiega dire 15 ns per passare da un BASSO ad un ALTO, e si tenta di clock con una frequenza in cui un periodo ALTO è, diciamo 42 ns (24 MHz), che lascia solo 27 ns di clock valido periodo rimasto. Questo è solo il 64% dell'orologio che in realtà è un segnale di clock - il resto è spazzatura. Lo stesso per i pin IO. Cose come le uscite di clock SPI saranno limitate dalla velocità di variazione del pin IO, quindi se overclocchi il tuo chip per ottenere SPI più veloce scoprirai che le cose non vanno sempre come previsto, come la bella onda quadra che ti aspetti dall'uscita del clock non è più quadrato.

Il dispositivo potrebbe non funzionare con una combinazione di tensione / temperatura.